Att verkligen ta fart, avancerad kvantinformationsbehandling kommer att kräva en bättre (experimentell) förståelse av ett väsentligt fenomen som kallas "oskiljbara fotoner". En hög grad av "oskiljbarhet" kräver nästan fullständig vågpaketöverlappning, eller perfekt fotonmatchning, av energi, Plats, tid och polarisering.
Medan många typer av enkelfotonsändare, såsom halvledarkvantumspunkter, redan har visat generering av oskiljbara fotoner, en grupp forskare från University of Tsukuba och Japans nationella institut för materialvetenskap försökte använda ett kväveföroreningscenter som finns i III-V-sammansatta halvledare som en ny enfotonkälla. De rapporterar sina resultat i veckan i tidningen Tillämpad fysikbokstäver .
Kväve-luminescenscentra inom III-V-sammansatta halvledare, består av element i kolumnerna III och IV i det periodiska systemet, såsom GaA, visa ett skarpt emissionsspektrum som motsvarar ett energitillstånd som kallas en "isoelektronisk fälla". Enkelfotogenerering från dessa isoelektroniska fällor är mycket önskvärd på grund av den homogenitet den ger, sänder fotoner från flera centra med samma energi.
"Våra studier bekräftade att isoelektroniska fällor verkligen har en lång sammanhållningstid, vilket är en av de nödvändiga förutsättningarna för att skapa en oskiljbar foton, "sade Michio Ikezawa, docent vid rena och tillämpade vetenskaper, University of Tsukuba.
För studien, gruppen utvärderade först oskiljbarheten av fotoner som emitteras från ett luminescenscentrum i kvävedelta-dopade GaA genom tvåfotoninterferens. De undersökte också dess tidsberoende, som avslöjade viktig information om tidsskalan för dekoherens (på ett annat sätt, när kvantsystemet suddas ut och visar klassiskt tillståndsbeteende) som kan vara utmanande att få via andra metoder.
För detta arbete, "utsläppscentret" som fungerar som en isoelektronisk fälla bildas av orenheten inom GaA där kväve har ersatt arsenik. "När provet är fotoexciterat, varje fälla kan fånga ett elektronhålspar och avge en enda foton genom en strålande rekombination av dem, "Sa Ikezawa.
Dessa kväveföroreningar "dopas sedan i ett mycket tunt tvådimensionellt lager genom den så kallade delta-dopningstekniken under metallorganisk kemisk ångutfällning, "Ikezawa sa." Med hjälp av denna teknik, ett enda luminescenscentrum kan väljas med ett konventionellt optiskt mikroskop. "
Att mäta oskiljbarheten gav överraskande insikt. "Oskiljbarheten var 0,24, som var oberoende av tidsintervallet mellan 2 till 4 nanosekunder, "Ikezawa sa." Detta var något överraskande jämfört med tidigare studier av kvantprickar, och vi drog slutsatsen att det finns en mycket snabb avfasningsmekanism inom 2 nanosekunder i vårt urval. "
Gruppens resultat är viktiga inte bara för att de är den första demonstrationen av mätning av tvåfotoninterferens hos oskiljbara fotoner skapade av föroreningscentra i III-IV halvledare, men också för att de utforskar likheter och skillnader med typiska kvantpunkter för dekoherensmekanismer.
När det gäller ansökningar, "oskiljbara fotoner är mycket viktiga för kvantinformationsteknik, såsom kvantteleportation och linjär optisk kvantberäkning, "Ikezawa sa." Vårt mål är att kunna tillhandahålla många fotonkällor som genererar oskiljbara fotoner i en integrerad form i ett halvledarchip. "
Medan halvledarkvantumspunkter har studerats intensivt med liknande syften, "Det är i princip svårt att göra energin hos fotoner som erhålls från många kvantpunkter så att de inte kan skiljas från varandra, "Ikezawa sa." Oskiljbarheten som erhölls denna gång var inte tillräckligt hög. Det antas bero på höghastighetsavslappningsmekanismen som vi rapporterade, så en framtida uppgift blir att klargöra mekanismen och hitta en metod för att undertrycka den. "
